長江感潮段沿江引水閘過閘流量的自動控制

錢福軍，錢 江

（江蘇省泰州引江河管理處，225321,泰州）

傳統(tǒng)的水閘控制方式為強電就地控制和強電集中控制，隨著計算機及自動控制技術(shù)的應(yīng)用，水閘的控制方式升級為計算機遠方控制，管理人員可在控制中心實現(xiàn)對閘門的遠方操作。在大部分的水閘工程上，閘門開啟高度及啟閉順序主要靠人工來進行測算和控制：根據(jù)水閘的水位組合情況和上級調(diào)度指令要求，先查“始流時閘下安全水位—流量關(guān)系曲線”，確定初始可泄放的最大流量，然后根據(jù)調(diào)度指令要求的流量，從 “閘門開高—水位—流量關(guān)系曲線”中查得閘門開啟高度，當(dāng)要求達到的流量大于始流值時，則必須分步開啟，過閘流量必須與上下游水位相適應(yīng)，使水躍發(fā)生在消力池內(nèi)。開閘時由中間向兩邊依次對稱開啟，關(guān)閘時次序相反。

一、感潮河段沿江引水閘控制運用的特殊性

在水閘上下游河（渠）系水位變化度幅不大、不頻繁時，上述控制方式基本滿足了水閘的使用要求。但長江下游感潮河段的沿江引水閘，側(cè)水位受長江中上游暴雨洪水和長江口海洋潮汐等綜合因素的影響，變化幅度大、頻繁，傳統(tǒng)控制方式無法動態(tài)跟隨水位變化及時調(diào)節(jié)閘門開高，出現(xiàn)引水不足或超設(shè)計流量運行等情況。

一是水位變化的不規(guī)則性，往往使閘引水流量無法準確控制。過閘流量受上下游水位組合及閘門開高雙重因素影響，閘門不能及時跟蹤調(diào)整，流量易失去控制。

二是保證工程安全應(yīng)用，運值人員須按水位變化情況，查表測算開高，及時調(diào)整閘門高度，以滿足流量調(diào)度要求。運值人員勞動強度大，也難以及時調(diào)節(jié)。

三是流量調(diào)節(jié)不及時，對水閘效益發(fā)揮及工程安全帶來不利影響。當(dāng)長江水位下降時，閘門開高不及時增加，造成引水不足，影響工程效益發(fā)揮；當(dāng)長江水位上漲時，閘門開高不及時降低，會造成超設(shè)計工況運行，給水閘工程本身及輸水河道的安全運行造成威脅。

二、感潮河段沿江引水閘過閘流量自動控制的實現(xiàn)

沿江引水閘運行調(diào)度多采用定流量控制方式，對日均流量和最大流量提出要求，利用水閘自動監(jiān)控實現(xiàn)水閘過閘流量的自動調(diào)節(jié)，既能保障調(diào)度指令的嚴格執(zhí)行，又能促進水閘的安全運用，減輕運行人員勞動強度，實現(xiàn)水閘控制運用自動化。

1.引流自動控制的基本方法和策略分析

實現(xiàn)定流量自動控制，即上下游水位變化后，可以自動調(diào)節(jié)閘門高度，保證實際流量符合調(diào)度要求，同時可保證水閘的自身穩(wěn)定和河道安全。當(dāng)然，水閘的控制運用首先須符合控制運用的相關(guān)規(guī)范，因此提出了感潮河段沿江引水閘引流自動控制策略如下：

①按勘測設(shè)計部門提供的水閘控制應(yīng)用條件，當(dāng)下游水位低于消能設(shè)計計算時的安全水位時，應(yīng)控制始流，待下游水位升至安全水位以上后，方可正常控制運用。

②通過水文測流，率定流量經(jīng)驗公式，即流量大小與上游水位、下游水位、閘門開高的關(guān)系。閘門開啟的高度e可根據(jù)調(diào)度設(shè)定的流量Q設(shè)、上游水位H、下游水位h計算得出。

③按照 《水閘技術(shù)管理規(guī)程》要求，閘門開啟由中間向兩邊分批依次對稱開啟，關(guān)閉順序相反，分批啟閉時間間隔須根據(jù)閘門啟閉速度和水流狀態(tài)確定。

④由于水位不斷變化，避免閘門啟閉機頻繁調(diào)節(jié)，要允許有一個合適的流量浮動范圍ε（ε根據(jù)運行情況總結(jié)得出）。當(dāng)實際流量Q實在區(qū)間[Q設(shè)-ε,Q設(shè)+ε]內(nèi)，閘門不調(diào)節(jié)；當(dāng)Q實<（Q設(shè)-ε）時，閘門上升；當(dāng) Q實>（Q設(shè)+ε）時，閘門下降。

⑤為確保在任何水位組合下水流平穩(wěn)、水閘穩(wěn)定、水躍均發(fā)生在消力池內(nèi)，要求分級啟閉閘門，相鄰閘門開啟高差不得超過0.5 m,逐級循環(huán)啟閉至計算高度e。一個操作循環(huán)結(jié)束，要留有合理的時間間隔，待水流平緩后，再進行下一個循環(huán)操作。

⑥為保證流量計算準確，上下游水位采集不宜緊靠閘室，而應(yīng)將水位計設(shè)置在兩岸水面無橫比降，無漩渦、回流、死水等現(xiàn)象發(fā)生的水流平順的斷面。

⑦為保證自動控制的安全可靠，除在啟閉機上使用主令控制器設(shè)定上下限位外，可在控制程序中設(shè)置上限位。

⑧遵循閘門啟閉現(xiàn)場手動控制比自動控制優(yōu)先。

⑨由于風(fēng)浪影響或水位測量誤差可能造成水閘上下游水位偏差，為防引排倒流，設(shè)定上游水位比下游水位高0.01 m以內(nèi)時，閘門一次性關(guān)到底（不分級關(guān)閘）。

2.高港節(jié)制閘過閘流量自動控制的實現(xiàn)

江蘇省泰州引江河管理處高港樞紐位于長江下游北岸泰州市高港區(qū)口岸鎮(zhèn)西北約3km處，樞紐節(jié)制閘和泵站采用閘站結(jié)合布置形式。高港樞紐節(jié)制閘共5孔，每孔凈寬10 m，設(shè)計流量為440 m3/s，采用弧形鋼閘門；泵站采用堤身式雙向箱形流道結(jié)構(gòu),立軸雙層進出水流道，配開敞式軸流泵9臺，每臺機組設(shè)置4扇平面鋼閘門，可通過下層流道實現(xiàn)160 m3/s的自流引江。高港樞紐1999年建成時，節(jié)制閘和泵站的監(jiān)控系統(tǒng)采用SUPCON JX-300型DCS集散控制系統(tǒng)，如圖1監(jiān)控系統(tǒng)部分所示，在中央控制室可實現(xiàn)對閘門的操作控制，并可采集閘門開高及上下游水位，實時顯示。

結(jié)合感潮河段沿江引水閘過閘流量自動控制的策略分析及自身工程情況，高港節(jié)制閘基于監(jiān)控系統(tǒng)，運用系統(tǒng)組態(tài)，編寫自動控制程序，實現(xiàn)了過閘流量的自動控制。

高港閘站工程自流引江控制采用上下游水文站采集的水位數(shù)據(jù)，其中下游水位計距離閘口650 m，上游距離閘口600 m，以485信號傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字通信卡。閘門的高度采用絕對型編碼器測量，由于編碼器與啟閉機之間通過齒輪連接，能精確測量閘門高度，即使失電也能在電源再次接通后讀出閘門高度變化當(dāng)前讀數(shù)，編碼器輸出的SII信號，經(jīng)現(xiàn)場儀表解碼后轉(zhuǎn)換成4～20mA信號送至監(jiān)控系統(tǒng)的采集控制站。組態(tài)程序中設(shè)置的主要參數(shù)有：內(nèi)河側(cè)的安全水位按照工程設(shè)計要求取值為1.0m，流量允許范圍ε取值為10%Q設(shè)，循環(huán)內(nèi)分級啟閉時間間隔為60s，循環(huán)間啟閉時間間隔為200 s，越限高度根據(jù)潮位動態(tài)設(shè)置。流量經(jīng)驗公式每年根據(jù)水文實測情況進行修訂，當(dāng)水差△h=H-h<0.6 m，Q=3.633Be（△h）0.4346； 當(dāng)水差△h=H-h≥0.6 m，Q=3.526Be（△h）0.3761。 其中：e為閘門開高，B為水閘凈寬（5 孔×10m=50m），h 為內(nèi)河（引江河）水位（m），H為長江側(cè)水位。節(jié)制閘過閘流量自動調(diào)節(jié)的控制算法如圖2所示。

在監(jiān)控界面上，運行人員可進行流量自動調(diào)節(jié)，還可對閘門進行提、落、?？刂?，或?qū)﹂l門進行定高度控制，界面顯示數(shù)據(jù)信息包括上下游水位、閘門高度等。除流程界面外，系統(tǒng)對閘門開高、水位、流量等重要參數(shù)的趨勢變化進行跟蹤，以趨勢圖記錄，方便分析。

圖1 高港樞紐閘站工程自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 高港節(jié)制閘過閘流量自動調(diào)節(jié)控制算法流程圖

在實現(xiàn)本地監(jiān)控的同時，監(jiān)控系統(tǒng)將包括節(jié)制閘在內(nèi)的運行數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過單向網(wǎng)閘傳輸至信息管理系統(tǒng)顯示、存儲和分析管理，如圖1所示，信息管理系統(tǒng)以Web方式提供節(jié)制閘實時運行狀況的瀏覽服務(wù)，用數(shù)據(jù)庫存儲并統(tǒng)計今日引水時數(shù)、今日引水量、今日最高水位、今日最大流量等運行數(shù)據(jù)和特征數(shù)據(jù)，授權(quán)用戶使用計算機或手機通過互聯(lián)網(wǎng)瀏覽和監(jiān)視節(jié)制閘的運行狀況，多組合查詢各種數(shù)據(jù)信息。另外，信息管理系統(tǒng)以功能模塊的形式實現(xiàn)節(jié)制閘的日常管理信息化，將節(jié)制閘的組織管理、值班管理等工作規(guī)范化、流程化。

高港節(jié)制閘過閘流量自動調(diào)節(jié)控制功能的開發(fā)，使高港樞紐自動化水平得到進一步的提高。一是大大減輕運行人員的勞動強度，提高了工作效率。二是過閘流量能及時根據(jù)水位變化進行自動調(diào)節(jié)，引水流量不超標，確保了水閘穩(wěn)定和河道安全。三是確保了防汛調(diào)度指令有效執(zhí)行，引足水量。

高港節(jié)制閘過閘流量自動控制成功運用后，對高港泵站下層流道自流引江的自動控制進行了研發(fā)。高港泵站自流引江時，將內(nèi)河側(cè)下道閘門全開，通過調(diào)節(jié)長江側(cè)下道閘門開高實現(xiàn)流量控制?？刂撇呗院蛯崿F(xiàn)方式與節(jié)制閘類似，但在實際運用中發(fā)現(xiàn)，因下層流道的閘門啟閉速度太快，達2.64m/min，閘門經(jīng)常不能在設(shè)定的高度自動停止，出現(xiàn)自動控制失靈，且啟閉機剎車磨損較快。為此，通過對啟閉機電機加裝變頻器，使閘門升降速度降至1.32m/min，實現(xiàn)了自動控制的可靠運行。

三、感潮河段沿江引水閘過閘流量自動控制的意義及經(jīng)驗

感潮河段沿江引水閘過閘流量自動控制的實現(xiàn)，適應(yīng)了水利現(xiàn)代化建設(shè)的要求，把水利工程管理的普遍原則，本地水利工作的主要特點，以及現(xiàn)代科學(xué)辦法和科技手段有機結(jié)合。通過水閘自動控制功能，大大減輕了運值人員的勞動強度，提高了工作效率，也使人員能及時發(fā)現(xiàn)異常情況并采取措施，確保工程效益的充分發(fā)揮和安全應(yīng)用。

由于長江來水夾江、河口回流影響以及引河河口下游凸嘴促淤作用而造成的嚴重淤積，引進江水中的夾江沿內(nèi)河河道逐漸沉淤，河床受水流的沖刷等，都對水流有影響。因此，要定期測流校驗流量公式，確保引流量的準確無誤。閘門開高頻繁調(diào)節(jié)易造成啟閉機剎車加速磨損，運值人員應(yīng)加強巡查，確保啟閉機安全運行。水位計能否準確測量水位關(guān)系自動控制系統(tǒng)能否安全可靠的運用，應(yīng)定期檢校水位計工作情況、數(shù)據(jù)傳輸情況，保證測量準確、傳輸可靠。

[1]水閘技術(shù)管理規(guī)程（SL 75—1994）[S].1994.

[2]江蘇省水閘技術(shù)管理辦法（SL 214—1998）[S].1998.

[3]林偉.水文勘測工[M].北京：電子科技大學(xué)出版社，2004.

[4]高杏根.自動監(jiān)控系統(tǒng)在河道水閘防洪排澇中的應(yīng)用［J］.水利水文自動化，2009（1）.

[5]程洪波.山美水庫溢洪道閘門自動化改造設(shè)計[J].水利科技，2003（4）.